От Солнца к Земле: SLAC исследует энергию термоядерного синтеза

Национальная ускорительная лаборатория SLAC возглавляет передовые исследования в области термоядерного синтеза, используя инновационные технологии. Цель этих исследований – решить проблемы, связанные с использованием термоядерного синтеза в качестве жизнеспособного источника энергии.

С тех пор, как было обнаружено, что Солнце производит энергию путем слияния легких атомов с выделением тепла, ученые стремятся воспроизвести этот процесс на Земле для обеспечения энергией домов и промышленности. После десятилетий исследований, начиная с 1950-х годов, прорыв произошел только в декабре 2022 года: в ходе лазерного эксперимента на установке National Ignition Facility (NIF) впервые в лабораторных условиях было получено больше энергии, чем затрачено на инициирование реакции. Это достижение, наряду с другими многообещающими подходами, привлекло значительные частные инвестиции в термоядерную энергетику. Однако, прежде чем термоядерный синтез можно будет масштабировать до уровня жизнеспособного источника энергии, предстоит решить еще много проблем.

Отдел науки о высокоплотной энергии (HEDS) Национальной ускорительной лаборатории SLAC находится на переднем крае решения этих задач. Используя уникальные возможности SLAC, отдел HEDS сотрудничает с академическими партнерами и национальными лабораториями для продвижения инерционного термоядерного синтеза (IFE) в качестве потенциального глобального энергетического решения.

Национальная ускорительная лаборатория SLAC имеет долгую историю новаторских научных достижений. Основанная в 1962 году для размещения Стэнфордского линейного ускорителя, на тот момент крупнейшего гражданского строительного проекта, когда-либо спонсируемого США, SLAC внесла вклад в три Нобелевские премии по физике элементарных частиц.

Со временем, когда ускорители более высоких энергий, такие как Большой адронный коллайдер CERN, заняли лидирующие позиции в экспериментах по столкновению частиц, SLAC переключилась на новые области применения. Одна из самых значительных инициатив была реализована в начале 2000-х годов, когда часть ускорителя была перепрофилирована в Linac Coherent Light Source (LCLS), первый в мире рентгеновский лазер на свободных электронах.

LCLS произвел революцию в рентгеновской науке, создавая лучи в миллиарды раз ярче, чем любой другой источник рентгеновского излучения. Эти сверхбыстрые импульсы высокой интенсивности позволили исследователям фиксировать сверхбыстрые процессы в материалах в режиме реального времени. С тех пор ученые всего мира используют LCLS для решения вопросов естественных наук, таких как фотосинтез, разработка обезболивающих нового поколения и определение структуры вирусных белков. Успех LCLS вдохновил на создание аналогичных рентгеновских лазеров на свободных электронах в ряде стран, что ознаменовало новую эру в научных исследованиях.

Вместе с мощными оптическими лазерами, доступными на установке Matter in Extreme Conditions (MEC), LCLS также открыл новую эру прецизионных измерений в области физики плазмы и термоядерного синтеза, позволяя исследователям изучать сверхбыстрые изменения в веществе в экстремальных условиях. На MEC оптические лазеры создают давление, сравнимое с давлением в центре Земли, и температуры выше, чем в солнечной короне. Рентгеновский луч проникает в эти экстремальные состояния, предоставляя возможность наблюдать за их динамической эволюцией, чтобы проверить способность предсказывать условия внутри планет, звезд и лабораторной термоядерной плазмы.

Важнейшим аспектом исследований в области термоядерного синтеза является возможность непосредственно исследовать вещество в условиях высокого давления и температуры. Рентгеновская диагностика предоставляет важную информацию об этих состояниях: рентгеновская дифракция, фиксируя структурные изменения на атомном уровне, позволяет увидеть, как атомы перестраиваются в материалах при экстремальном сжатии. Например, эксперименты с образцами пластика, сжатыми лазером, показали, как углеводородные цепи распадаются и вновь собираются в алмазы в условиях, аналогичных тем, которые существуют внутри Урана и Нептуна. Эти результаты помогают усовершенствовать модели формирования планет, а также могут способствовать новым техническим применениям на Земле, например, использованию наноалмазов, сформированных лазером, в биомедицинских и промышленных целях; рентгеновское рассеяние предоставляет более детальное представление о взаимодействиях в высокотемпературных состояниях. Измеряя, как рентгеновские лучи набирают или теряют энергию при рассеянии, исследователи могут напрямую определять температуру образцов, получая информацию, которая ранее основывалась на косвенном моделировании. Недавние исследования с использованием этого метода углубили понимание того, как генерируется магнитное поле нашей планеты, и пролили свет на то, как материалы реагируют на давление и радиацию и как их можно улучшить для использования в термоядерном синтезе и космических исследованиях; рентгеновская визуализация с нанометровым пространственным разрешением LCLS обеспечивает сверхбыструю визуализацию образцов, подвергнутых лазерному воздействию. Исследователи из данного подразделения наблюдали динамику решетки сжатого кремния и формирование неустойчивостей при прохождении электронов через горячую плазму. Более поздние достижения позволили одновременно проводить визуализацию и дифракцию, обеспечивая более полную картину трансформации материалов.

С появлением LCLS-II SLAC готова еще больше расширить границы исследований в области термоядерного синтеза. Это серьезное обновление включает в себя сверхпроводящий ускоритель, способный генерировать миллионы рентгеновских импульсов в секунду. Он представляет уникальную функцию последовательности импульсов, позволяющую получать последовательные рентгеновские снимки с переменным временным интервалом для фиксации быстрой эволюции образца за один выстрел. Модернизация также удвоит максимальную энергию рентгеновского излучения, что позволит проникать в образцы с более тяжелыми атомами и при более высоких плотностях. Эти достижения позволят исследователям отслеживать поведение термоядерных топливных капсул с беспрецедентной детализацией, приближаясь к пониманию условий, необходимых для устойчивых термоядерных реакций.

Установка Matter in Extreme Conditions в SLAC предоставляет ученым инструменты для исследования чрезвычайно горячей и плотной материи в центрах звезд и планет-гигантов, а также для воссоздания процесса ядерного синтеза, который питает Солнце. Одной из ключевых проблем в экспериментах по термоядерному синтезу с высокой частотой повторения является доставка мишеней со скоростью, соответствующей частоте лазерных выстрелов. В то время как в более ранних экспериментах на LCLS использовались статические массивы из нескольких сотен мишеней, новые подходы включают непрерывные потоки жидких струй, взвешенных наночастиц или криогенного водорода, что позволяет проводить эксперименты с гораздо большей скоростью и получать огромные объемы данных для изучения. Эти инновации способствуют разработке термоядерных мишеней и средств диагностики плазмы нового поколения, в конечном итоге повышая эффективность и жизнеспособность источников излучения, управляемых лазером.

Все диагностические средства будут играть роль в изучении физики термоядерных капсул. К концу десятилетия планируется модернизировать лазерную систему на конечной станции Matter in Extreme Conditions, которая будет способна доводить образцы до грани термоядерного синтеза. По мере того, как образцы приводятся в действие лазерными импульсами килоджоулевого диапазона, можно отслеживать состояние образца от начального твердого состояния до режима физики высокоплотной энергии, который характеризует состояние инерционной термоядерной плазмы. Диагностические средства должны работать вместе, чтобы понять пути оптимизации: рентгеновская дифракция исследует плотность топлива, рассеяние ищет рост температуры, а визуализация ищет нестабильности и неоднородности.

Последовательные рентгеновские импульсы позволят применить эти возможности для изучения того, как вещество проходит в фазовое пространство высокой плотности энергии и через него, даже если исходная мишень имеет уникальные характеристики, такие как дефекты, включения или текстура. Машинное обучение может объединять данные, полученные с помощью этих диагностических средств, чтобы сузить диапазон условий, достигаемых за время выстрела, выявляя основные физические механизмы, определяющие взаимодействие лазерных лучей высокой интенсивности с веществом.

В то время как LCLS предлагает уникальные возможности для рентгеновского зондирования, данное подразделение использует лучи всего электромагнитного спектра для изучения термоядерных мишеней. Оптические зонды могут использовать интерферометрию, чтобы увидеть, как быстро ударная волна, вызванная лазером, движется через термоядерное топливо, в то время как интенсивность излучения говорит о температуре, которой достигает сжатая мишень. Терагерцовое излучение с длиной волны около 1 мм позволяет измерять электропроводность, влияя на то, как электрические поля генерируются и распространяются внутри экстремальных состояний, что важно для термоядерных подходов, использующих магнитные поля для управления сжатием. Как и в случае с различными методами рентгеновской диагностики, в экспериментах приходится объединять данные, полученные с помощью всех этих различных измерений, чтобы понять нагрев и лазерную связь с термоядерными мишенями. Помимо этого, генерация релятивистских электронов, рентгеновских и гамма-лучей высокой энергии, магнитных полей и пучков энергичных частиц – все это области, где зондирование с помощью рентгеновского луча LCLS приведет к новым открытиям в областях, имеющих решающее значение для развития науки о термоядерной энергии.

Помимо диагностики и экспериментальных достижений, отдел HEDS SLAC тесно сотрудничает с теоретиками и специалистами по вычислительной технике для уточнения моделей динамики термоядерного синтеза. Сравнивая реальные экспериментальные данные с результатами моделирования, исследователи могут выявлять пробелы в теоретическом понимании и совершенствовать прогностические модели. Даже несмотря на то, что лазер NIF может достигать самых интересных условий, данные высокого разрешения, полученные с помощью LCLS, дополняют их и служат важным ориентиром.

Заглядывая в будущее, можно сказать, что задачи проектирования функциональной термоядерной электростанции выходят за рамки самой реакции. Топливо – смесь дейтерия и трития – должно надежно удерживаться и подаваться с высокой частотой повторения. В отличие от NIF, где термоядерное топливо заключено в идеальные алмазные оболочки, тщательно выращиваемые в течение нескольких месяцев, коммерческая термоядерная установка потребует производства мишеней со скоростью десять штук в секунду. Двухмильный Стэнфордский линейный ускоритель вновь открылся в 2009 году как первый в мире рентгеновский лазер на свободных электронах. Чтобы удовлетворить эту потребность, SLAC в сотрудничестве с Inertial Fusion Energy Network (IFE-STAR) Министерства энергетики США и Fusion Innovation Research Engine Collaboratives (FIRE) разрабатывает и характеризует новые легкие пены, способные удерживать криогенное термоядерное топливо. В ранних экспериментах на LCLS уже изучалась структурная целостность этих пен, а в будущем планируется проанализировать, как они удерживают криогенно охлажденное жидкое топливо и как ведут себя увлажненные пены при лазерном сжатии.

Наконец, успех термоядерной энергетики будет зависеть от материалов, способных выдерживать интенсивную нейтронную бомбардировку, производимую реакциями синтеза дейтерия и трития. Исследователи SLAC активно сотрудничают со специалистами по материаловедению в разработке радиационно-стойких сплавов, используя LCLS для оценки того, как их свойства изменяются в экстремальных условиях и как их атомы преобразуются под действием высокоэнергетических нейтронов. Эти усилия будут способствовать разработке стенок реактора, способных выдерживать длительное воздействие нейтронных потоков, вызванных термоядерным синтезом.

По мере продвижения исследований SLAC в области термоядерного синтеза, каждый шаг приближает к раскрытию энергии звезд для получения чистой и устойчивой энергии. Благодаря передовой рентгеновской диагностике, экспериментам в области физики высокоплотной энергии и тесному сотрудничеству между различными научными дисциплинами, отдел HEDS прокладывает путь к будущему, в котором термоядерная энергия станет практической реальностью. Уточняя экспериментальные методы, совершенствуя теоретические модели и решая инженерные задачи, SLAC вносит свой вклад в одно из самых преобразующих научных начинаний XXI века.